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合成氨的效率比之前方法提高100倍,论文作者利用MXene表面的负电性

2020年4月3日 - 职业教育
合成氨的效率比之前方法提高100倍,论文作者利用MXene表面的负电性

合成氨的效率比之前方法提高100倍,论文作者利用MXene表面的负电性。《日经产业新闻》4月10日报道,东京大学西林仁昭教授国家发明了一种常温常压下合成氨的新方法。该方法变更传统催化反应中的还原剂,不使用来自石油中的氢,仅将水和氮混合就可以实现合成氨。此方法原料有效利用率达90%以上,且无需使用试剂,有望实现低成本合成氨。目前,东京大学正与日产化学合作,以尽早实现其产业化。

合成氨的效率比之前方法提高100倍,论文作者利用MXene表面的负电性。合成氨的效率比之前方法提高100倍,论文作者利用MXene表面的负电性。中新网4月25日电
据日媒报道,日本东京大学教授西林仁昭的研究国家,已开发出以水与氮为原料合成氨的制作方法。该成果已于25日在英国科学杂志《自然》上发表。

合成氨的效率比之前方法提高100倍,论文作者利用MXene表面的负电性。合成氨的效率比之前方法提高100倍,论文作者利用MXene表面的负电性。合成氨的效率比之前方法提高100倍,论文作者利用MXene表面的负电性。合成氨的效率比之前方法提高100倍,论文作者利用MXene表面的负电性。合成氨的效率比之前方法提高100倍,论文作者利用MXene表面的负电性。  近日,华南理工大学化学与化工学院王海辉教授国家利用MXene作为催化剂活性中心实现了氨的电化学高效合成。研究成果以“Efficient
Electrocatalytic N2Fixation with MXene under Ambient
Conditions”为题在线发表在国际顶级期刊合成氨的效率比之前方法提高100倍,论文作者利用MXene表面的负电性。合成氨的效率比之前方法提高100倍,论文作者利用MXene表面的负电性。Cell的子刊《Joule》上。该论文第一作者为华南理工大学博士研究生罗亚茹、陈高峰,通讯作者为华南理工大学丁良鑫研究员和王海辉教授,华南理工大学为论文的唯一单位。

氨在氮肥和火药等领域应用广泛,全世界年产量超过1.6亿吨。目前,合成氨主要使用20世纪初期德国化学家哈伯发明的“循环法”,即通过加入催化剂使氢气和氮气在高温高压下合成氨。此方法的高温高压需要消耗大量能源,世界能源消耗量的一定百分比均用于制氨工业。

据悉,这是全球首次以身边的水为原料,在对环境负担较小的常温常压下成功合成氨。

图片 1原理示意图

西林教授致力于研究在常温常压下催化合成氨的方法使用了有机化学实验中经常使用的碘化钐作为还原剂,氢也改由从水中获取,大幅降低了合成的成本。此外,通过使用钼催化剂,仅需将上述原材料混合即可合成氨。

氨作为合成纤维及化学肥料等的原料被广泛使用,世界上每年生产量达到1.5亿吨左右。由于可以提取出燃料电池的燃料氢,因此人们也期待氨在未来可以成为替代石油的燃料。

  据介绍,论文作者利用MXene表面的负电性,巧妙地将二维MXene片有序负载在具有弱析氢能力的宿主金属表面,并通过进一步调控MXene片尺寸和宿主金属的生长取向,实现了对活性位点最大程度的暴露。同时,通过这种立体的空间设计以及雇佣具有弱析氢能力的宿主,不仅合理的抑制了析氢竞争反应,而且促进了氮气在催化剂电极上的扩散吸附,进而有效地提高了MXene催化剂的氮还原活性和选择性,从而实现常温常压下高效的电化学固氮。这项工作证明了二维MXene材料在电化学固氮反应的应用潜力,为合理设计高效电化学固氮催化剂提供了一种新的思路。

通过采用此法,合成氨的效率比之前方法提高100倍,且如果进一步改良催化剂,效率还将提高到200倍。传统循环法中采用将气体导入固态催化剂中进行反应的模式,气体转化成氨的概率较低,而此次采用混合的方法,大幅提高了原料的有效利用率。目前作为催化剂的碘化钐只能使用一次,今后还将继续研发使其可反复利用的方法,同时与日产化学合作,争取实现该制法在大型工业设备中的应用。

现在,通过以氢气和氮气为原料,在400度至650度的高温、200至400个大气压的高压下进行合成的方法大量生产氨。在利用天然气等生产氢气的过程中,需要消耗大量能源,同时还会产生温室气体二氧化碳。

附:背景资料  氨是现代工业和农业生产最为基础的化工原料之一,对人类的生产、生活等方面有着至关重要的作用。氨的人工合成最初源起于德国AdolphFrank等人发明的“氰化法”,但受制于制备原料及过高的能耗,该制备工艺没有得到大规模应用。后来,在20世纪初,Fritz
Haber和Carl
Bosch等人发现以锇作为催化剂,可直接将氮气和氢气在高温高压下反应得到氨气,且产率最高可达到20%。这一方法开启了合成氨的大规模工业化进程,人类自此实现了人工固氮的集约化和规模化发展,从而直接推动了全球粮食产量和人口数量史无前例地增长。然而该方法虽经过百多年的发展,仍需要在高温高压条件下进行,能耗高,二氧化碳排放量大。因此,在常温常压下高效反应合成氨,是科学家们梦寐以求的技术;特别是如果合成氨过程中的驱动能量能由可持续的绿色能源供给,则将彻底解决Haber-Bosch法合成氨所面临的涉及能耗、污染以及安全性等方面的问题。  近年来,一些基于光催化、电催化的固氮体系被陆续证实可利用可再生能源在常温常压下实现氮还原固氮,但由于N2中的N≡N非常稳定,在常温常压下,真实的效率尚难超过1%,且氮气的扩散和吸附问题难以解决。因此,如何构建像固氮酶那样精巧的催化剂,将是常温常压下高效固氮的主要挑战。

此次以水为原料取得成功,是因为国家考量出了使用含有金属钼的触媒、与用作有机合成试剂的二碘化钐溶液的方法。该制法由于没有生产氢气的过程,因此减少了二氧化碳的排放量。西林表示“希望以10年后为目标,实现实用化”。

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